張 海,葛悅禾,湯 煒

（華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建廈門，361021）

工科“微波技術(shù)與天線”課程教學(xué)實(shí)踐探索

張 海,葛悅禾,湯 煒

（華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建廈門，361021）

“微波技術(shù)與天線”是通信工程及電子信息相關(guān)專業(yè)的一門基礎(chǔ)課程。該課程理論性強(qiáng)，概念抽象，數(shù)學(xué)公式復(fù)雜。傳統(tǒng)教學(xué)方法難以獲得良好的教學(xué)效果，且無(wú)法做到理論與實(shí)踐兼顧。本文探討了如何利用現(xiàn)代多媒體技術(shù)及EDA電磁仿真軟件提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。通過(guò)多媒體技術(shù)能將抽象的概念形象化，利用EDA仿真軟件能夠?qū)ξ⒉ㄆ骷疤炀€等進(jìn)行三維仿真設(shè)計(jì)，達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合的目的。

微波技術(shù)；多媒體技術(shù)；電磁仿真；教學(xué)改革

0 引言

當(dāng)今社會(huì)，無(wú)線通信技術(shù)已經(jīng)遍及生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域，而實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的最重要載體就是電磁波。信號(hào)被高頻載波調(diào)制、放大并通過(guò)天線以電磁波的形式發(fā)射出去，完成有用信息的傳輸。整個(gè)通信系統(tǒng)涉及通信工程及電子科學(xué)與技術(shù)等多個(gè)學(xué)科[1]。其中“微波技術(shù)與天線”是這些學(xué)科專業(yè)中的一門關(guān)鍵課程。該課程理論性較強(qiáng)，且概念抽象，不易理解和學(xué)習(xí)[2-3]。對(duì)如何講授這門課程的老師及如何學(xué)好這門課程的學(xué)生都是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。同時(shí)，該課程的工程實(shí)踐性強(qiáng)，學(xué)生不僅要學(xué)好理論知識(shí)，而且還要掌握常用微波元件和天線的設(shè)計(jì)方法，以及相關(guān)儀器的使用。由于微波測(cè)量?jī)x器的價(jià)格昂貴，學(xué)校采購(gòu)數(shù)量有限，很難滿足每一位同學(xué)的實(shí)驗(yàn)操作需求[4]。因此，本文探討了如何在傳統(tǒng)教學(xué)中，將現(xiàn)代多媒體技術(shù)與EDA電磁仿真軟件相結(jié)合，合理融入到教學(xué)過(guò)程中。通過(guò)利用多媒體技術(shù)，使抽象的概念更加形象和直觀，便于學(xué)生理解；同時(shí)通過(guò)EDA電磁仿真軟件，使學(xué)生可在電腦上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，更加方便和直觀地設(shè)計(jì)微波器件或天線，達(dá)到學(xué)以致用的目的。

2 課堂教學(xué)方法的改進(jìn)

2.1 打好理論基礎(chǔ)

“微波技術(shù)與天線”作為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，包括微波技術(shù)與天線技術(shù)的基本理論、基本原理及設(shè)計(jì)方法。學(xué)習(xí)該課程需要具備其他一些專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，例如復(fù)變函數(shù)、線性代數(shù)及電路理論等，尤其是電磁場(chǎng)與電磁波是學(xué)習(xí)該課程的基礎(chǔ)理論[5-6]。由于課時(shí)有限，不可能在課堂上花太多時(shí)間去復(fù)習(xí)這些知識(shí)，因此在正式講授這門課程前需提前告知學(xué)生復(fù)習(xí)高等數(shù)學(xué)、電路、電磁場(chǎng)與電磁波理論等知識(shí)。這有利于增強(qiáng)知識(shí)的連貫性，為學(xué)生理解和學(xué)習(xí)“微波技術(shù)與天線”課程打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。若時(shí)間允許，可在授課前對(duì)學(xué)生做一個(gè)綜合基礎(chǔ)知識(shí)的測(cè)驗(yàn)，測(cè)驗(yàn)的目的不在于評(píng)估學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)，而是讓學(xué)生清楚自己在哪些方面還存在知識(shí)欠缺。

由于該課程理論公式推導(dǎo)較多，且物理概念抽象，容易導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生“課程實(shí)用性不高”等錯(cuò)覺(jué)，從而產(chǎn)生厭學(xué)心理。為了激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣，使他們對(duì)課程有一個(gè)正確認(rèn)識(shí)，授課教師需要精心準(zhǔn)備一節(jié)內(nèi)容豐富、圖文并茂的緒論課。利用多媒體技術(shù)，通過(guò)圖像、視頻及動(dòng)畫(huà)等向?qū)W生們展示微波技術(shù)及天線在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用及發(fā)展前景。另外，如果授課教師有從事該專業(yè)的研究工作，可以和學(xué)生們分享相關(guān)研究心得，激勵(lì)他們更加努力的學(xué)好這門課程。

2.2 合理使用多媒體技術(shù)

“微波技術(shù)與天線”課程中的很多概念抽象復(fù)雜，僅僅使用簡(jiǎn)單的文字描述或靜態(tài)圖片展示很難加以理解。通過(guò)使用現(xiàn)代多媒體技術(shù)可將抽象的概念形象化，利用彩色圖片及動(dòng)畫(huà)等技術(shù)手段將抽象難懂的知識(shí)生動(dòng)直觀地展示給學(xué)生。例如“場(chǎng)”這一概念，很多學(xué)生反映難以理解。多媒體這一教學(xué)手段可以很生動(dòng)、形象地去表達(dá)“場(chǎng)”這一看不見(jiàn)摸不著的物質(zhì)，幫助學(xué)生去建立或者重構(gòu)“場(chǎng)”在他們大腦中的印象，避免教師在“場(chǎng)”教學(xué)中的枯燥乏味，從而達(dá)到良好的教學(xué)效果。

另外，在講授無(wú)耗傳輸線的工作狀態(tài)、規(guī)則金屬波導(dǎo)中的場(chǎng)時(shí)，也可采用多媒體教學(xué)。如對(duì)矩形波導(dǎo)中TE10模的電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及三維場(chǎng)分布，可以采用多媒體動(dòng)畫(huà)的形式來(lái)呈現(xiàn)，這樣就會(huì)使學(xué)生更加直觀、深入地認(rèn)識(shí)矩形波導(dǎo)中的場(chǎng)分布，加深理解，提高教學(xué)效果。圖1所示為電磁波在矩形波導(dǎo)中的傳輸過(guò)程；圖2所示為雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的工作原理。

圖1 電磁波在波導(dǎo)中的傳輸

當(dāng)然，本文所提倡的是在教學(xué)中利用多媒體技術(shù)作為輔助手段，而不是用多媒體技術(shù)完全取代傳統(tǒng)教學(xué)方法。對(duì)于理論推導(dǎo)，采用黑板板書(shū)的方式效果更好，因?yàn)樵谕茖?dǎo)過(guò)程中可以帶動(dòng)學(xué)生們思考公式推導(dǎo)思路及相關(guān)物理意義。

總之，對(duì)于一些教學(xué)提綱、歸納小結(jié)、圖文圖表以及動(dòng)畫(huà)演示的內(nèi)容，宜采用多媒體教學(xué)；而對(duì)一些理論公式的推導(dǎo)，則用板書(shū)授課能夠增強(qiáng)師生之間的互動(dòng)性，取得更好的授課效果，學(xué)生也能夠跟著教師的思路一步步來(lái)領(lǐng)會(huì)和掌握課堂講授的知識(shí)。所以，在“微波技術(shù)與天線”課程的教學(xué)中，應(yīng)充分利用多媒體輔助教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，采用板書(shū)和多媒體優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的授課方式。

圖2 雷達(dá)的工作原理

2.3 改進(jìn)考核制度

“微波技術(shù)與天線”這門課程容易使學(xué)生產(chǎn)生恐懼心理，合理的激勵(lì)是必要的?？己酥饕谟诳疾鞂W(xué)生理論學(xué)習(xí)的成果，一般通過(guò)期末考試的成績(jī)來(lái)評(píng)估。在總成績(jī)的計(jì)算中，建議試卷成績(jī)占總成績(jī)的70%，平時(shí)課堂回答問(wèn)題、小測(cè)驗(yàn)及作業(yè)的完成情況展20%，另外，在期末安排學(xué)生做一個(gè)學(xué)習(xí)報(bào)告，將該成績(jī)計(jì)入總成績(jī)，比例為10%。這樣可以將學(xué)生的用功程度及學(xué)習(xí)能力做一個(gè)較全面地考察，另外可以促使學(xué)生在課堂上積極思考和發(fā)言。

3 EDA電磁仿真實(shí)驗(yàn)

“微波技術(shù)與天線”是一門實(shí)踐性強(qiáng)的課程，由于該課程的實(shí)驗(yàn)儀器都非常昂貴，且學(xué)生人數(shù)較多，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的儀器管理與維護(hù)等需要耗費(fèi)大量時(shí)間。并且在有限的時(shí)間內(nèi)難以讓每位同學(xué)親手操作一遍，因此可以使用現(xiàn)有的EDA 電磁仿真軟件來(lái)解決上述問(wèn)題。目前，常用的微波仿真軟件有CST、Ansys HFSS、ADS與Ansys Designer等，并且都提供了相應(yīng)的學(xué)生免費(fèi)版。免費(fèi)版完全可以滿足課程教學(xué)的需求。利用這些軟件可以讓學(xué)生對(duì)“微波技術(shù)與天線”課程中的常用微波器件及天線進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。在仿真實(shí)驗(yàn)中，可以加深學(xué)生對(duì)相關(guān)物理概念的理解，以及對(duì)理論知識(shí)的掌握，同時(shí)增強(qiáng)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。

在課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的安排如圖3所示。其中紅色框圖為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，每個(gè)學(xué)生都需要獨(dú)立完成；拓展實(shí)驗(yàn)屬于開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以根據(jù)自己的實(shí)際情況選擇。

其中，“匹配電路設(shè)計(jì)”實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生理解阻抗匹配的基本原理，會(huì)用Smith 圓圖設(shè)計(jì)阻抗匹配電路。而威爾金森功分器與耦合器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖亲寣W(xué)生掌握奇偶模分析法以及各自的設(shè)計(jì)方法，理解相應(yīng)散射參量所表示的物理意義。圖4 所示為學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的功分器。

圖3 仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

圖4 功分器仿真圖

同時(shí)，由于天線的相關(guān)概念很抽象，學(xué)生難以理解，所以安排了一個(gè)微帶天線設(shè)計(jì)試驗(yàn)，在HFSS 軟件中設(shè)計(jì)一個(gè)矩形微帶天線，并且在軟件中生成天線的相關(guān)技術(shù)參數(shù)報(bào)告，通過(guò)圖標(biāo)及動(dòng)畫(huà)來(lái)加深對(duì)天線相關(guān)概念的理解。圖5是實(shí)驗(yàn)課上所設(shè)計(jì)的三角形微帶天線模型及仿真結(jié)果。

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生們對(duì)天線的概念及工作原理就有了更加深入的理解。在實(shí)驗(yàn)考核中基礎(chǔ)試驗(yàn)納入考核得分，學(xué)生只有獨(dú)立完成相關(guān)試驗(yàn)，并提交詳細(xì)試驗(yàn)報(bào)告才可得滿分。拓展試驗(yàn)不納入考核范圍，其目的是對(duì)該門課程感興趣并希望在該領(lǐng)域進(jìn)一步研究的學(xué)生自學(xué)完成。因此，通過(guò)合理運(yùn)用電磁仿真軟件進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)不僅能夠使學(xué)生更好地掌握理論知識(shí)，而且還能訓(xùn)練學(xué)生們的思考能力及激發(fā)他們的學(xué)習(xí)熱情。

圖5 三角形微帶天線結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文闡述了“微波技術(shù)與天線”課程的內(nèi)容特點(diǎn)及教學(xué)難點(diǎn)，并對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方法提出了一些改進(jìn)措施。通過(guò)合理地安排教學(xué)內(nèi)容及運(yùn)用現(xiàn)代多媒體技術(shù)，提高教學(xué)質(zhì)量，并安排相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)，有效加深理論知識(shí)的理解和掌握，破除了對(duì)該課程的恐懼心理，激發(fā)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣。

[1]袁海軍，馬云輝，劉詠梅等. 《微波技術(shù)與天線》課程教學(xué)中理論性與工程應(yīng)用性的結(jié)合探討[J].科技資訊,2012,24:169-170.

[2]夏祖學(xué)，李少甫，胥磊. 《天線與微波技術(shù)》課程的教學(xué)改革研究與實(shí)踐[J]. 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2013,06:49-51.

[3]蔣鐵珍，廖同慶. 《微波技術(shù)與天線》教學(xué): 與工程應(yīng)用相結(jié)合[J]. 教育與教學(xué)研究,2014,28(06):78-80.

[4]李新?tīng)I(yíng)，曹雪. 《微波技術(shù)與天線》教學(xué)的研究與探討[J]. 物理通報(bào),2014,12:25-27.

[5]李素萍，吳偉. 《微波技術(shù)與天線》課程教學(xué)改革探討[J]. 中國(guó)電力教育，2011,08:108-109.

[6]Xing Xu,Long Yu,Weixing Wang. The Reform and Research on the Teaching of “Microwave Technology” Course [C]. proceeding of 2010 third international conference on education technology and training.2010.

Research on Teaching Practice of Engineering Microwave Technique and Antenna

Zhang Hai,Ge Yuehe,Tang Wei
（College of Information Science and Engineering, Huaqiao University,Fujian Xiamen,361021）

"Microwave technology and antennas"is a fundamental curriculum in the majors of communication engineering and electronic information engineering. It is difficult to learn for its deep theories, abstract concepts and complex mathematical formulas. Traditional teaching is not very effective and we are unable to integrate theory and practice perfectly. This paper discussed how to improve the teaching quality of the curriculum using modern multi-media technologies and electromagnetic field simulation software of electronic design automation. Abstract concepts can be taught vividly using multi-media technologies in front of students. Using simulation software, three-dimensional simulation and design technology should apply to microwave devices and antennas to achieve the goal of combining theory with practice successfully.

Microwave technology; Multi-media technology; Electromagnetic field simulation; Teaching reform

張海（1981—），男，講師，碩士生導(dǎo)師。

華僑大學(xué)2013年本科教育教學(xué)改革立項(xiàng)項(xiàng)目（2013JGYB36）；福建省教育廳科技項(xiàng)目（JA14022）